Modellbildung von Eisenbahnbrücken – Vergleichsanalysen zu dynamischen Messungen an bestehenden Brückentragwerken

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit wird das dynamische Verhalten von vier bestehenden Eisenbahnbrücken hinsichtlich Eigenfrequenz und Beschleunigung infolge dynamischer Anregung anhand von softwareunterstützten Modellen untersucht, wobei ein besonderer Fokus auf die realen dynamischen Brückenparameter wie Steifigkeits-, Massen-, und Dämpfungseigenschaften gelegt wird. Verglichen werden die Modelle dann mit realen Daten einer Messkampagne. Die Arbeit zielt darauf ab, die Diskrepanzen zwischen rechnerisch ermittelten und in-situ gemessenen dynamischen Parametern zu identifizieren und zu verringern und eine höhere Genauigkeit in der Modellierung von Eisenbahnbrücken zu erreichen. Bei den vier Brückenmodellen wird eine detaillierte Abbildung der Steifigkeiten und Massen der realen Brückenverhältnissen angestrebt. Dies wird auch mit der Konstruktion des Schotteroberbaus als Feder-Dämpfer-Modell untersucht, sowie mit der Modellierung des Vorlands.Im Rahmen eines Forschungsprojektes am Institut für Tragkonstruktionen – Forschungsbereich Stahlbau wurde eine umfangreiche Messkampagne in Zusammenarbeit mit der Firma REVOTEC ZT GmbH an verschiedenen bestehenden Stahleisenbahnbrücken durchgeführt. Bei den gemessenen Brücken handelt es sich um Einfeldträgerbrücken, welche mit einem Long Stroke Shaker dynamisch angeregt und ein Amplitudenfrequenzgang erstellt wurde, der zur Ermittlung der Parameter Eigenfrequenz, Beschleunigung und Dämpfungsmaß ausgewertet wurde. Basierend auf diesen Messdaten werden in dieser Arbeit Brückenmodelle mit unterschiedlichen Komplexitätsgraden erstellt. Die Modelle werden mit SOFiSTiK für eine rechnerische Bestimmung dieser dynamischen Parameter erstellt.Eine Sensitivitätsstudie identifiziert jene Parameter, die einen signifikanten Einfluss auf die dynamischen Eigenschaften der Brücken haben. Diese Studie trägt dazu bei, das Verständnis über die Einflussfaktoren zu vertiefen und die Wahl einer geeigneten Modellierungsstrategie zu verbessern. Durch Vergleichsanalysen mit den Messergebnissen wurden die Modelle kalibriert und optimiert, was zu einer besseren Übereinstimmung von berechneten und gemessenen Parametern führt. Die Ergebnisse dieser Diplomarbeit eröffnen neue Einblicke in die softwareunterstütze Modellierung von Stahleisenbahnrücken und des Schotteroberbaus und verbessert das Verständnis für die dynamischen Eigenschaften von Eisenbahnbrücken. Die Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse liefern Informationen für zukünftige Forschungstätigkeiten und helfen dabei, die Art und Weise, wie bestehende Eisenbahnbrücken bewertet werden, weiterzuentwickeln.

In this diploma thesis, the dynamic behavior of four existing railway bridges is investigated with regard to natural frequency and acceleration due to dynamic excitation using software-supported models. Special focus is placed on the real dynamic bridge parameters such as stiffness, mass, and damping properties. The models are compared with real data from a measurement campaign. The aim of the work is to identify and reduce the discrepancies between computationally determined and in-situ measured dynamic parameters and to achieve higher accuracy in the modeling of railway bridges. For the four bridge models, a detailed representation of the stiffness and mass of the real bridge conditions is pursued. This is also investigated through the construction of the ballast track as a spring-damper model and through the modeling of the foreland.As part of a research project at the Institute for Structural Engineering – Research Area Steel Construction, an extensive measurement campaign was conducted in collaboration with REVOTEC ZT GmbH on various existing steel railway bridges. The measured bridges are single-span bridges, dynamically excited with a Long Stroke Shaker, and an amplitude frequency response was created to determine the parameters of natural frequency, acceleration, and damping ratio. Based on these measurement data, bridge models with different levels of complexity are created in this thesis. The models are created with SOFiSTiK for the computational determination of these dynamic parameters.A sensitivity study identifies the parameters that have a significant influence on the dynamic properties of the bridges. This study helps to deepen the understanding of the influencing factors and improve the choice of an appropriate modeling strategy. Through comparative analyses with the measurement results, the models were calibrated and optimized, leading to better agreement between calculated and measured parameters. The results of this diploma thesis provide new insights into the software-supported modeling of steel railway bridges and the ballast track and improve the understanding of the dynamic properties of railway bridges. The summary and discussion of the results provide information for future research activities and help to further develop the way existing railway bridges are evaluated.